JP6891203B2 - 応力低減レイヤを有する密封されたパッケージ - Google Patents

Description

本開示は、一般的に、電子パッケージに関する。そして、より特定的には、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）パッケージに関する。

従来技術において知られるように、エレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）は、電子的コンポーネントと機械的コンポーネントを組み合わせた、統合されたマイクロデバイスまたはシステムである。ＭＥＭＳデバイスは、例えば、標準的な集積回路バッチ処理（ｂａｔｃｈ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）技術を使用して、製造され得る。ＭＥＭＳデバイスの典型的なアプリケーションは、マイクロスケール（ｍｉｃｒｏ ｓｃａｌｅ）において、検出すること、制御すること、および駆動すること、を含んでいる。そうしたＭＥＭＳデバイスは、マクロスケール（ｍａｃｒｏ ｓｃａｌｅ）における効果を生成するように、個別に、または、アレイにおいて機能してよい。

従来技術において、また、知られるように、多くのＭＥＭＳデバイスは、最高のパフォーマンスを達成するために密封された（ｈｅｒｍｅｔｉｃａｌｌｙ ｓｅａｌｅｄ）環境を必要とする。これは、真空環境、制御された圧力環境、または、制御されたガス環境であってよい。パッケージ環境は、また、ＭＥＭＳデバイスのために、保護と最適な動作環境も提供する。これらのＭＥＭＳの特定の例は、ボロメータ（ｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）といった赤外線ＭＥＭＳ、ときどきマイクロボロメータとして参照されるもの、ジャイロと加速度計といった所定のイナーシャＭＥＭＳ、および、移動ミラーアレイといった光学機械デバイス、を含んでいる。以前、ＭＥＭＳデバイスは、ＭＥＭＳデバイスウェファの製造とダイシング（ｄｉｃｉｎｇ）の後で、真空対応（ｖａｃｕｕｍ ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ）パッケージの中に個別にパッケージされてきた。しばしば、しかしながら、従来の金属またはセラミック製パッケージの中にＭＥＭＳデバイスをパッケージするコストは、デバイス製造コストの約１０から１００倍のオーダーであり得る。これは、パッケージにおいて真空が必要とされる場合に、特に真実である。

何年にもわたり、様々なタイプの赤外線検出器が開発されてきている。多くのものは、焦点面アレイ（ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ａｒｒａｙ）をその上に有するサブストレートを含む。焦点面アレイは、各ピクセルに対してそれぞれが対応している複数の検出器エレメント（検出デバイス）を含んでいる。サブストレートは、検出器エレメントに電気的に接続されている集積回路を含む。読出し集積回路（ＲＯＩＣ）として一般的に知られているものであり、各検出器エレメントからの信号を統合し、そして、適切な調整と処理を用いてチップからの信号を多重化する（ｍｕｔｉｐｌｅｘ）ために使用されるものである。

所定のマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）デバイスの場合と同様に、ボロメータは、ベストのパフォーマンスのために、真空または他の制御された環境において密封される必要があり得る。ボロメータアレイのパッケージングのための典型的な要求は、延長された期間について高真空（ｈｉｇｈ ｖａｃｕｕｍ）を維持することが可能な信頼性のある密封シール、良好な赤外線透過を伴うＩＲウィンドウ材料の統合、および、高い歩留まり／低コストのパッケージング、を含んでいる。ＭＥＭＳデバイスの信頼性とコストの両方は、選択されたカプセル化（パッケージング）に依存する。ＭＥＭＳベースのボロメータについて、パッケージングは、チップレベルまたはウェファレベルにおいて行われてよい。このインスタンスにおけるパッケージングの一般的な方法は、保護的な、ＩＲ透過キャップウェファ、または、ウィンドウキャップウェファ（Ｗｉｎｄｏｗ Ｃａｐ Ｗａｆｅｒ、ＷＣＷ）を製造（ｆａｂｒｉｃａｔｅ）し、そして、アクティブなＩＲ検出器ボロメータ領域を含んでいる半導体サブストレート、または、デバイスウェファの露出された表面に対して、ダイシングの以前に、接合する。キャップウェファは、ときどき、ウィンドウまたはリッド（ｌｉｄ）構造としても参照されるが、キャビティと共にその中に形成される。キャップウェファがフリップ（ｆｌｉｐ）されて、デバイスウェファに対して接合されるとき、その中にあるＭＥＭＳデバイスを収容し、かつ、保護するための十分なクリアランスをキャビティが提供するようにである。米国特許第５７０１００８号、タイトル”Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｎｄ ｇａｓ ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｇｅｔｔｅｒ ｇｒａｔｉｎｇ ｉｎ ａ ｖａｃｕｕｍ ｐａｃｋａｇｅ”、発明者Ｒａｙ他、１９９７年１２月２３日発行、において説明されているようにである。そこで説明されているように、そして、図１と図２を参照すると、パッケージアセンブリが示されており、望ましくはケイ素（ｓｉｌｉｃｏｎ）である、半導体材料の読出し集積回路（ＲＯＩＣ）サブストレート２を有している。赤外線（ＩＲ）検出器アレイ１４が、サブストレート２の上に配置され、そして、複数の個別の検出器エレメント６、ピクセルとしても呼ばれるもの、を含んでいる。図２は、検出器領域１０において５×６直方体アレイの検出器ピクセル６だけを示しているが、典型的なＩＲ集積回路は、一般的に、数百または千×数百または千ピクセル６までの平面ＩＲ検出器アレイを含んでいることが理解される。最も商業的なアプリケーションにおいて、ＩＲ検出器は、たいてい、非冷却（ｕｎｃｏｏｌｅｄ）であり、そして、ＩＲ放射によって検出器に対して加えられた熱から結果として生じる温度の増加を検知することによって、ＩＲ放射の強度を検出する。非冷却ＩＲ検出器の典型的なレイヤは、酸化バナジウム（ＶＯｘ）マイクロボロメータ（ＭＢ）であり、そこでは、複数の個別の検出器が、従来の半導体製造プロセスによって、たいてい、ＲＯＩＣサブストレートの上にアレイで形成されている。ＭＢアレイは、ＩＲ生成熱を検知することによってＩＲ放射を検出し、そして、焦点面アレイ（ＦＰＡ）またはセンサチップアセンブリ（ＳＣＡ）とも呼ばれている。サブストレート２は、ボロメータによって生成された信号を処理するために使用される集積回路である。この場合に、ボロメータは、温度が変化するときに抵抗が変化するマイクロブリッジ抵抗である。入ってくる放射は、マイクロブリッジの温度の変化を生じさせる。ケイ素（Ｓｉ）といった他の半導体材料が使用され得るが、ＶＯｘは、大部分の商業的なＩＲ検出アプリケーションにおいて使用されている、一般的に利用可能であり、かつ、コスト効率が高いものである。

上記に参照された米国特許第５７０１００８号において説明されるように、真空封止アセンブリは、検出器アレイを雰囲気から密封するために、ＩＲ検出器アレイを取り囲んでいる密封シール８を含んでいる。シール８は、例えば、インジウム、金−スズ、または、他の半田であってよく、シールの高さは、サブストレート２、もしくは、望ましくはウェファ１０の上にシールが配置されるとき正確にコントロールされる。シール８は、第２サブストレート、キャップウェファ、ここではＩＲ透過ウィンドウ、ここでは例えば、ケイ素、を支持している。ウェファレベルのパッケージングに伴い、ウィンドウウェファ１０が、これもケイ素であるＦＰＡウェファと一致する熱膨張率を有するようにである。ウェファ１０は、上記に参照された米国特許第５７０１００８号において説明されるように、既定の表面領域を有しているウェファ１０の表面の規定の領域の上に形成された、ゲッター材料（ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）、図示なし、を含んでよい。

従来技術においても、また、知られるように、ウェファレベルパッケージング（ＷＬＰ）は、従来のパッケージを取り除くことによって、ＭＥＭＳのパッケージングの高いコストを取り扱うために開発されたものである。そうしたＷＬＰパッケージの一つは、米国特許第６５２１４７７号、タイトル”Ｖａｃｕｕｍ ｐａｃｋａｇｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ”、発明者Ｇｏｏｃｈ他、２００３年２月１８日発行、において説明されている。一つのＷＬＰプロセスにおいて、接合されたウェファを生じるように、接合材料を使用して、２つのウェファが一緒に接合され得る。例えば、ウェファの一つは、半導体（例えば、ケイ素）デバイスであり、ウェファの検出器領域において検出器デバイスを有している。検出器領域は、他のウェファに対して接合された読出し集積回路（ＲＯＩＣ）に沿ってデバイスウェファの中央内部領域の中に配置されている。リッドウェファは、半田のシートメタルリングを使用して、デバイスウェファの検出器領域について配置される。半導体ウェファにおいてデバイスを成形した後で、ウェファは、窒化ケイ素またはオキシ窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）といった、薄いオーバーガラスレイヤを含んでいる。チタニウムのボトムレイヤを形成するために、従来のフォトリソグラフィック処理を使用して、シールリング金属が形成されて、ＲＯＩＣオーバーガラスに対するサブストレート接着レイヤとして働く。次に、拡散障壁として働く、ニッケル（Ｎｉｃｋｅｌ）の中間レイヤの後に、酸化形成を抑制し、かつ、半田接合を強化するための金のレイヤが続く。その後に、「シールリング（”ｓｅａｌ ｒｉｎｇ”）」として参照されるものである。同様なレイヤのセットがリッドウェファの上に形成され、デバイスとリッドウェファとの間の半田シールのための合せ面（ｍａｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ）を提供する。シールリングの形成の後で、半田が、例えば金８０％とスズ２０％、デバイスとリッドウェファのいずれか、または、両方に対して適用される。

説明されたＷＬＰ技術が、効果的なパッケージを提供する一方で、発明者は、金スズ７半田と半導体デバイスウェファとの間の熱膨張率の差異のせいで、シールリングのエッジがデバイスまたはＲＯＣＩウェファに接触するところである図３において示されるような高応力領域に応力が増大されることを確認した。これらの応力は、図３に示されるように、オーバーガラス、および、デバイスまたはＲＯＩＣウェファの下部構造において望まないクラック（ｃｒａｃｋ）の成長を生じ得るものである。これらのクラックは、中間膜の誘電レイヤ（ＩＬＤ）およびＲＯＩＣのＩＬＤにおける相互接続トレースを壊して故障を導き得る。

より特定的に、発明者は、従来技術において、シールリング金属スタック（約０．５μｍ厚）と半田（１１μｍ厚まで）は、一致したエッジを有することを確認した。半田がその融解温度である摂氏約２８０度の下に冷えると、半田は、下部のシールリングおよびＲＯＩＣよりも早く収縮する（半田の熱膨張率（ＣＴＥ）は約１６ｐｐｍ、ケイ素のＣＴＥは約３ｐｐｍ）。そして、半田は非常に堅く（金スズ半田は大きなヤング率を有する）、そうして、応力を緩和するように変形し得ない。半田レイヤの収縮は、半田ジョイントのエッジを引っ張る傾向があり、それが応力点ｒの原因であり、そして、ジョイントのエッジにおけるクラックを結果として生じる。シールリングの下部のチタニウム（Ｔｉ）部分の厚さを単純に増加させることは、応力についてほとんど効果が無い。なぜなら、いまだにシールリングの半田引っ張りと共に応力が残されており、結果として応力点を生じるからである。ＲＯＩＣ表面に付着している金属のエッジの半田ショートを終了し（ｔｅｒｍｉｎａｔｉｎｇ）、かつ、介在レイヤ（ｉｎｔｅｒｖｅｎｉｎｇ ｌａｙｅｒ）、例えば、チタニウム製の応力緩和バッファレイヤを提供することによって、ＲＯＩＣ表面上のローカライズされた領域へ応力を伝達する切り立ったエッジは、ＲＯＩＣ表面の上で終了し、そして、より延性のある材料を用いてカバーされる。発明者は、さらに、一致したエッジが除去されると、一つの実施例においては、応力緩和バッファレイヤを厚くすること、もしくは、別の実施例においては、チタニウム接合材料接着レイヤを厚くすること、のいずれかによって下部のチタニウムレイヤを厚くすることが、さらに、応力を低減することを確認した。しかし、一致したエッジが最初に除去された場合だけである。

本開示に従って、構造体が提供される。構造体は、サブストレート；サブストレートの表面部分の周りのサブストレートの表面部分の上に配置された金属リング；金属リングの上に配置された接合材料であり、内側および外側エッジを有している接合材料；を含む。そして、ここで、金属リングは、接合材料の内側および外側エッジのうち少なくとも一つを越えて横方向に拡がっている。

一つの実施例において、金属リングの第１レイヤは、サブストレートの表面部分の上に配置された応力緩和バッファレイヤを含んでおり、第１レイヤは、既定の温度において表面部分の延性よりも高い延性を有しており、かつ、接合材料の幅より幅が広い。応力緩和バッファレイヤは、接合材料の内側および外側エッジのうち少なくとも一つを越えて横方向に拡がっている。

一つの実施例において、応力緩和バッファレイヤは、サブストレートの表面部分の熱膨張率よりも大きく、かつ、接合材料の熱膨張率よりも小さな熱膨張率を有する。

一つの実施例において、金属リングの上面の外側領域は、上面に対する接合材料の接着を抑制する材料を含んでいる。そして、ここで、金属リングの部分は、接合材料の内側および外側エッジのうち少なくとも一つを越えて横方向に拡がっている。

一つの実施例において、構造体は、金属リングの上面の上に接合材料マスキングレイヤを含んでいる。接合材料は、金属レイヤの上面の部分を露出しているマスキングレイヤにおけるウィンドウを通過しており、そして、ここで、接合材料の部分は、金属レイヤの上面の露出された部分の上へとウィンドウを通過している。

一つの実施例において、金属リングの部分は、接合材料の内側および外側エッジのうち少なくとも一つを越えて横方向に拡がっている。

一つの実施例において、構造体は、リッドを含む。そして、ここで、接合材料は、サブストレートをリッドに対して接合している。

応力緩和バッファレイヤは、サブストレートに対して効果的に付着し、かつ、接合材料によっては濡れない（ｗｅｔｔｅｄ）。さらに、応力緩和バッファレイヤは、応力緩和バッファレイヤに対して接合されたサブストレートの表面部分の熱膨張率（ＣＴＥ）と半田又は接合材料のＣＴＥとの望ましくは中間のＣＴＥを有し、かつ、ＳｉＯＮおよびケイ素（Ｓｉｌｉｃｏｎ）といった脆い材料の場合のように割れる代わりに、高応力の領域を局所的に生じる延性材料の特性を有している。典型的な応力緩和バッファレイヤ材料は、チタニウムである。

そうした構成を用いて、サブストレート、例えば、半導体ウェファと、接着レイヤとの間で生じた応力は、接合材料のエッジが半導体ウェファに接触するポイントから接合材料のエッジが応力緩和バッファレイヤに接触するポイントへシフトされ、そして、従って、半導体ウェファ及びあらゆる関連のオーバーガラス又は脆い材料から離れてシフトされる。従って、応力緩和バッファレイヤは、応力を低減するレイヤとして働き、高応力の領域を、脆いオーバーガラスから、より延性のある下部レイヤへシフトしている。

より特定的には、パッケージを形成するように２つのウェファを接合し、かつ、密封するために高い熱収縮率（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｔｒａｃｔｉｏｎ ｒａｔｅ）を有する半田を使用するときは、半田がその融解温度から冷却されると縮むので、半田ジョイントのエッジで下部半導体ウェファにおける高レベルの応力を引き起している。応力緩和バッファレイヤ１の使用は、半田ジョイントのエッジでの高応力領域を下部の脆い半導体ウェファから隔離する。半導体ウェファの延性よりも高レベルの延性、および、半田レイヤより低く、かつ、下部ウェファよりもなお高い熱収縮率を有している応力緩和バッファレイヤを間に置くことによるものである。従って、本開示により、高ＣＴＥ半田または他の接合材料と、半導体構造体の上の脆いオーバーガラスとを統合することができる。さらに、本プロセスは、デバイスウェファ、リッド、または、両方について使用され得るものである。

用語リング形状（”ｒｉｎｇ−ｓｈａｐｅｄ”）は、スペースを取り囲んでいる形状を参照し、かつ、含むものであることが理解されるべきである。形状は、円形、長方形、正方形、楕円、であってよく、もしくは、曲がりくねった又は蛇行した形状といった、不規則な形状を有してよい。

本開示に係る一つまたはそれ以上の実施例の詳細は、添付の図面と以下の説明において明らかにされる。本開示に係る他の特徴、オブジェクト、および利点は、説明と図面から、および、請求項から明らかであろう。

図１は、従来技術に従った、ＩＲ検出器アレイについて真空パッケージの簡素化された断面斜視図である。 図２は、従来技術に従った、図１のアセンブリにおいて使用されているＩＲ検出器アレイの簡素化された平面図である。 図３は、図２のＩＲ検出器アレイの断面図であり、断面は従来技術に従った図２におけるライン３−３に沿ったものである。 図４は、本開示に従った、密封パッケージの断面の平面図であり、断面は図５におけるライン４−４に沿ったものである。 図５は、図４のパッケージの断面の側面図であり、断面は図４におけるライン５−５に沿ったものである。 図５Ａは、図５の断面の側面図に係る拡大部分であり、拡大部分は図５において矢印５Ａ−５Ａにより囲まれているところである。 図６は、本開示の別の実施例に従った、密封パッケージの断面の側面である。 図６Ａは、図６の断面の側面図に係る拡大部分であり、拡大部分は図６において矢印６Ａ−６Ａにより囲まれているところである。

様々な図面における類似の参照記号は、類似のエレメントを示している。

図４と図５をこれから参照すると、密封デバイス１０２のための密封パッケージ（ｈｅｒｍｅｔｉｃａｌｌｙ ｓｅａｌｅｄ ｐａｃｋａｇｅ）１００が示されている。パッケージ１００は、その中央領域において、デバイス１０２を有しているサブストレート１０４；デバイス１０２；キャップウェファ１０８（図５）；および、金属リングのペア、ここでは例えば、マルチレイヤ金属リング、１０７ＤＷ金属リング、１０７ＣＷ；を含む。金属リング１０７ＤＷは、サブストレート１０４の表面領域１０６の周りのサブストレート１０４の表面の上に配置されており、そして、他の金属リング１０７ＣＷは、中央領域１０６の周りのキャップウェファ１０８の表面の上に配置されている。いくつかのアプリケーションにおいて、金属リング１０７ＣＷは、必要とされないこともあることが理解されるべきである。金属リング１０７ＤＷは、図５Ａにおいてより明確に示されるように、サブストレート１０４の表面の上に、かつ、直接的に接触して配置されるリング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷ（より特定的には、サブストレート１０４のオーバーガラスレイヤ１１６上で、かつ、直接的に接触している）；および、リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷの上面の上に、シールリング構造体１１０ＤＷ（図５）；を含む。金属リング１０７ＣＷは、中央領域１０６の周りのキャップウェファ１０８の表面の上にリング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＣＷ；および、リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＣＷの上面の上に、シールリング構造体１１０ＣＷ）；を含む。接合材料１１８が、図５に示されるように、２つのシールリング構造体１１０ＤＷ、１１０ＣＷの間に置かれている。従って、以下により詳しく説明されるように、リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＣＷは、リングシール構造体１１０ＣＷの下部材料（ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）であり、そして、リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷは、リングシール構造体１１０ＤＷの下部材料である。応力緩和バッファレイヤ１０９ＣＷと１０９ＤＷそれぞれは、それぞれに、キャップウェファ１０８とデバイスウェファ（またはサブストレート１０４）のためのリング形状の接合材料の応力緩和バッファレイヤとして働くものである。

より特定的に、サブストレート１０４は、半導体デバイスウェファ１１２、ここでは例えば、ケイ素（ｓｉｌｉｃｏｎ）、読出し専用集積回路ＲＯＩＣを提供するもの；ＲＯＩＣコンポーネントに対する金属製インターコネクト電気伝導性トレースを有するデバイスウェファ１１２の上面の上の、中間膜誘電レイヤ（ＩＬＤ）１１４；および、示されるように、レイヤ１１４の上に置かれているオーバーガラスレイヤ１１６、を含む。示されるように、デバイス１０２は、ここでは例えば、赤外線（ＩＲ）検出器のアレイであり、ここでは例えば、ボロメータは、オーバーガラス１１６の上の中央領域１０６に配置されている。キャップウェファ１０８は、あらゆる赤外線透過材料であり、かつ、示されるように、デバイス１０２の上に配置されたキャビティを有し、そして、図示されていないが、ゲッター（ｇｅｔｔｅｒ）材料を含んでよい。

リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷ、ＣＷそれぞれは、説明されるべき理由のために、高い延性材料（ｄｕｃｔｉｌｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）、ここでは例えば、チタニウムである。リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷは、上述のように、オーバーガラスレイヤ１１６の上に配置されている。２つのシールリング構造体１１０ＤＷと１１０ＣＷのそれぞれ一つは、それぞれに、オーバーガラス１１６とキャップウェファ１０８の上の応力緩和バッファレイヤ１０９の上に置かれた、より低い、サブストレート接着レイヤ１２２、ここでは例えば、チタニウム；示されるように、サブストレート接着レイヤ１２２の上に配置された、拡散障壁レイヤ１２４、ここでは例えば、ニッケル（Ｎｉ）または白金（Ｐｔ）であり、接合材料１１８がサブストレート接着レイヤ１２２の中に（または、インタラクションして）拡散することを防ぐためのもの；および、示されるように、拡散障壁レイヤ１２４の上に配置された、酸化ブロック／接合材料接着レイヤ１２６、ここでは例えば、金（Ａｕ）、酸化形成を防ぎ、かつ、半田濡れを促進するためのもの；を含む。

リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＣＷ、１０９ＤＷのペアのうち各一つは、シールリング構造体１１０ＣＷ、１１０ＤＷ、それぞれに、および、接合材料１１８よりも幅が広いことに留意する。この実施例においては、リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＣＷ、１０９ＤＷの内側および外側エッジ１０９ａ、１０９ｂ、それぞれは、内側および外側の少なくとも一つを越えて、ここでは、シールリング構造体１１０ＣＷ、１１０ＤＷの内側および外側エッジ１１０ｂ両方を、それぞれに、長さＬだけ越えて、シールリング構造体１１０ＣＷ、１１０ＤＷのどちらかの側にステップ２２４を形成する。応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷとシールリング構造体１１０ＤＷについて、より明確に図５Ａに示されるようにである。

より特定的には、この実施例において、オーバーガラス１１６は、ここでは例えば、２０００オングストローム（Ａｎｇｓｔｒｏｍ）厚のオキシ窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）であり、リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷ、ＣＷのそれぞれ一つは、ここでは例えば、５００オングストロームより大きい厚みを有するチタニウムのレイヤであり、ここでは例えば、２５００オングストローム厚である。ここでは例えば、リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷ、ＣＷのそれぞれ一つは、フォトリソグラフィックリフトオフ（ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）プロセスを使用して形成される。応力緩和レイヤ１０９ＤＷの形成を考慮して、かつ、応力緩和レイヤ１０９ＣＷが同様な方法において形成されることを認識すれば、リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷは、ここでは例えば、オーバーガラスレイヤ１１６の上に、フォトレジストのレイヤ、図示なし、を最初に形成することによって形成される。デバイスの領域の内側と外側のフォトレジストレイヤの領域には、リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷが残っており、そして、それにより、ウェファ表面のリング形状領域を残して、そこにリング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷが形成され、露出される。次に、ウェファの表面全体が、蒸着（ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）または物理気相蒸着（ＰＶＤ）プロセスのいずれかを使用してチタニウムを用いてコーティングされる。チタニウムの一部分は、パターン化されたフォトレジストの上にデポジットされるようになり、そして、他の部分は、ウェファの露出されたリング形状部分の上にデポジットされることに留意する。その後に、フォトレジストがウェファからリフトオフされ、それによって、フォトレジストの上のチタニウムの部分が取り除かれ、そして、ウェファ上にリング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷが残される。材料は、また、フォトリソグラフィプロセスの必要性なしに、メカニカルマスクを使用しても製造され得る。次に、別のリフトオフプロセスがシールリング構造体１１０ＤＷを形成するために使用される。ここでは、蒸着または物理気相蒸着（ＰＶＤ）プロセスのいずれかを使用してデポジットされた、例えば、２０００オングストローム厚を有するチタニウムである。蒸着または物理気相蒸着（ＰＶＤ）プロセスのいずれかを使用してデポジットされた、２５００オングストローム厚を有するニッケル、および、蒸着または物理気相蒸着（ＰＶＤ）プロセスのいずれかを使用してデポジットされた、２５００オングストローム厚を有する金が、後に続く。リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷの幅は、ここでは３００マイクロメートルの範囲であること、リング形状のシールリング構造体１１０ＤＷの幅は、ここでは例えば、リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷの幅より狭く（２００マイクロメート）、そして、リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷの内側および外側エッジ１０９ａ、１０９ｂから、それぞれに、セットバック（ｓｅｔ ｂａｃｋ）していること、に留意する。ここでは例えば、シールリング構造体１１０ＤＷの内側および外側エッジ１１０ａ、１１０ｂ、それぞれは、長さＬだけそれぞれセットバックされており、ここでは例えば、リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷの内側および外側エッジ１１０ａ、１１０ｂから、それぞれに、５０マイクロメートルである。図５Ａに示されるように、ステップ２２４を形成するためである。ここでは例えば、５０マイクロメートル幅のステップ２２４が形成される。結果として、接合材料１１８、例えば半田（ここでは例えば、金／スズ（ここでは例えば、金８０％、スズ２０％））の切り立ったエッジが、リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷのエッジからセットバックされ、そして、サブストレート１０４とキャップウェファ１０８の表面の上に、それぞれに、持ち上げられる。結果として、図３において説明された高応力点はシフトされる（オーバーレイヤ１１６から離れて持ち上げられる）。そして、応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷが、高応力点のパス（ｐａｔｈ）の中に効果的に挿入され、それにより、脆いＳｉＯＮオーバーガラスレイヤ１１６における応力を低減している。応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷは、室温（摂氏２０−２３度）またはリッド１０８がサブストレート１１８に対して接合されるときのパッケージ１００の温度といった、既定の温度においてＳｉＯＮオーバーガラスレイヤ１６６の延性よりも高い延性を有すること、および、応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷ、半田１１８とサブストレート１１８との間に挿入されたもの、の熱膨張率（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ、ＣＴＥ）は、半田のＣＴＥ値とオーバーガラスレイヤ１１６のＣＴＥ値との間の値であること、に留意する。応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷがＳｉＯＮオーバーガラスレイヤ１１６に比べてより高い延性を有していることにより、局所的な変形の小さなレベルについて、さらに、脆いＳｉＯＮオーバーガラスレイヤ１１６における応力を低減することができる。

結果として、高応力点ＳＰは、脆いＳｉＯＮレイヤ１１６（図３で置かれていたところ）の外に、かつ、より延性のある応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷの中へシフトされている。応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷの切り立った端に関連する応力点は、下部サブストレート１０４の熱膨張率により近いＣＴＥを有する応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷのおかげで、延性を増加している応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷの相対的な薄さ（ここでは例えば、２５００オングストローム）と組み合わされて、取るに足らないポイントまで低減されている。加えて、小さいステップ２２４（図５）は、空気に曝された後で酸化チタンで表面が仕上がるので、いくらか半田を嫌い、そして、従って、ジョイントからの溶融半田１１８の拡がりに対抗するための半田ダム（ｓｏｌｄｅｒ ｄａｍ）として働く。つまり、１０９ＣＷと１０９ＤＷの表面は、酸化チタンへと素早く酸化されるチタニウムであり、そして、酸化チタンは、接合材料１１８による接着を抑制する材料である。

ＡｕＳｎ（金スズ）半田の熱膨張率（ＣＴＥ）＝１６ｐｐｍ／Ｋであり、Ｔｉ（チタン）のＣＴＥ≒８．５ｐｐｍ／華氏度（ｄｅｇｒｅｅ Ｋｅｌｖｉｎ）、Ｓｉｌｉｃｏｎ（ケイ素）のＣＴＥ≒２．６ｐｐｍ／華氏度、そして、ＳｉＯＮ（オキシ窒化ケイ素）のＣＴＥ≒２ｐｐｍ／華氏度、であることに留意する。リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷは、リング形状の応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷに接合されているサブストレートの表面部分のＣＴＥ（つまり、オーバーガラスレイヤ１１６（２ｐｐｍ／華氏度））と、シールリング構造体１１０ＤＷの上の接合材料１１８のＣＴＥ（１６ｐｐｍ／Ｋ）との間（概ね、それらの中間の）熱膨張率（ＣＴＥ）（≒８．５ｐｐｍ／華氏度）を有することに留意する。

従って、金スズ半田１１８とケイ素との間のＣＴＥの差異が非常に大きいこと（６倍）であることに留意する。これらは、応力問題を生じている２つの主要な材料である。半田は、半田の溶融状態から冷える際に、付着されているケイ素よりも６倍以上収縮することを欲するのである。応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷは、オーバーガラスレイヤ１１６のＣＴＥと、半田または接合材料１１８のＣＴＥとの望ましくは中間の熱膨張率（ＣＴＥ）を有すること、そして、オキシ窒化ケイ素およびケイ素といった脆い材料の場合のように割れる代わりに、延性応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷは、高応力の領域を局所的に生じることができること、に留意する。応力緩和バッファレイヤ１０９ＣＷは、シリコンキャップウェファ１０８の延性よりも高い延性を有すること、および、応力緩和バッファレイヤ１０９ＣＷの熱膨張率（ＣＴＥ）は、半田１１８とシリコンキャップウェファ１０８との間に挿入されていることにも、また、留意する。

図６をこれから参照すると、本開示の別の実施例に従った、密封パッケージ１００’が示されている。ここで、シールリング構造体１１０ＤＷ’は、チタニウムサブストレート接着／拡散障壁レイヤ１２２’（図６Ａ）を有しており、実際には、レイヤ１２２’は、拡散障壁レイヤ１２２と応力緩和レイヤ１０９ＤＷからなっている。従って、サブストレート接着／拡散障壁レイヤ１２２’は、実際には、概ね４０００オングストローム厚のレイヤにまで厚くされたチタニウムであり、サブストレート接着レイヤ１２２および応力緩和レイヤ１０９ＤＷの２つの目的を果たしている。半田マーク１５０、ここでは例えば、チタニウムまたは窒化チタンは、接合材料接着レイヤ１２６の下部分を露出するように、フォトリソグラフィックエッチングプロセスまたはリフトオフリソグラフィを使用して、そこに形成されたウィンドウを有している。半田マスク１５０のためにチタニウムが使用される場合には、チタニウムが素早く酸化チタンへと酸化されること、および、酸化チタンは、接合材料１１８の付着を抑制するものであることに留意する。同様に、窒化チタンは、接合材料１１８の付着を抑制するものである。

接合材料１１８、ここでは例えば、半田は、ウィンドウの中へ、接合材料接着レイヤ１２６の露出された部分の上にデポジットされる。シール材料１１６は、金属リング１０７ＤＷ’より狭いことに留意する。金属リングは、ここにおいて、シールリング構造体１１０ＤＷ’と半田マーク１５０を含んでおり、示されるように、接合材料１１８のエッジを金属リング１０７ＤＷ’のエッジからセットバックさせる。このセットバックは、図５と図５Ａに関連して上述したステップ２２４と同等に半田ダムを形成することにも留意する。同様な構造が、この例において、キャップウェファ１０８の上の金属リングについて使用されることが理解されるべきである。

本開示に従った構造体は、サブストレート；サブストレートの表面部分の周りのサブストレートの表面部分上に配置された金属リング；内側および外側エッジを有している、金属リングの上に配置された接合材料；を含んでおり、そして、金属リングは、接合材料の内側および外側エッジのうち少なくとも一つを越えて横方向に拡がっていることが、これから正しく理解されるべきである。以下の特徴の一つまたはそれ以上は、独立したもの、または、別の特徴と組み合わされたものを含んでよい。ここで、金属リングの第１レイヤは、サブストレートの表面部分の上に配置された応力緩和バッファレイヤを含んでおり、第１レイヤは、既定の温度において表面部分よりも高い延性を有しており、かつ、接合材料の幅より幅が広く、応力緩和バッファレイヤは、接合材料の内側および外側エッジのうち少なくとも一つを越えて横方向に拡がっている。ここで、応力緩和バッファレイヤは、サブストレートの表面部分の熱膨張率よりも大きく、かつ、接合材料の熱膨張率よりも小さな熱膨張率を有する。ここで、金属リングの上面の領域は、上面に対する接合材料の接着を抑制する材料を含んでおり、そして、金属リングの部分は、接合材料の内側および外側エッジのうち少なくとも一つを越えて横方向に拡がっている。本構造体は、金属リングの上面の上に接合材料マスキングレイヤを含んでおり、接合材料は、金属レイヤの上面の部分を露出しているマスキングレイヤにおけるウィンドウを通過しており、そして、ここで、接合材料の部分は、金属レイヤの上面の露出された部分の上へウィンドウを通過する。ここで、金属リングの部分は、接合材料の内側および外側エッジのうち少なくとも一つを越えて横方向に拡がっている。本構造体は、リッドと、サブストレート上に配置されたデバイスとを含み、そして、ここで、接合材料は、サブストレートをリッドに対して接合している。ここで、応力緩和バッファレイヤは、サブストレートの表面部分の熱膨張率よりも大きく、かつ、接合材料の熱膨張率よりも小さな熱膨張率を有する。本構造体は、上面の上に接合材料マスキングレイヤを含んでいる。金属リングの上面の上に接合材料マスキングレイヤを含んでおり、接合材料は、金属レイヤの上面の部分を露出しているマスキングレイヤにおけるウィンドウを通過しており、そして、ここで、接合材料の部分は、金属レイヤの上面の露出された部分の上へウィンドウを通過する。ここで、応力緩和バッファレイヤは、サブストレートの表面部分の上に配置され、かつ、直接的に接触している。ここで、金属リングの第１レイヤは、サブストレートの表面部分の上に配置された応力緩和バッファレイヤを含んでいる。ここで、金属リングの第１レイヤは、チタニウムである。ここで、金属リングの第１レイヤは、銅またはアルミニウムである。ここで、サブストレートの上側面は、オキシ窒化ケイ素である。ここで、サブストレートは、ケイ素を含む。ここで、金属リングの第１レイヤは、５００オングストロームより大きな厚さを有するチタニウムである。

本開示に従った構造体は、以下を含むことも正しく理解されるべきである。本構造体は、サブストレート；応力緩和バッファレイヤ；応力緩和バッファレイヤの上に、かつ、サブストレートの表面部分の周りに配置されたシールリングを含む。ここで、応力緩和バッファレイヤは、既定の温度においてサブストレートの表面部分の延性よりも高い延性を有している。接合材料が、シールリングの上に配置されており、接合材料は内側および外側エッジを有している。そして、ここで、応力緩和バッファレイヤは、接合材料の内側および外側エッジのうち少なくとも一つを越えて横方向に拡がっている。さらに、リング形状の応力緩和レイヤは、サブストレートの表面部分の熱膨張率（ＣＴＥ）とシールリング上の接合材料のＣＴＥとの間のＣＴＥを有してよい。

本開示に従った構造体は、以下を含むことも正しく理解されるべきである。本構造体は、サブストレート；サブストレートの上に配置されたデバイス；デバイスの周りで、サブストレートの上に配置されたシールリング；シールリングの上の配置された接合材料；接合材料とサブストレートとの間に配置されたレイヤであり、接合材料の内側および外側エッジのうち少なくとも一つを越えて横方向に拡がっているレイヤ；リッド；とを含み、接合材料は、サブストレートをリッドに対して接合することである。さらに、レイヤは、サブストレートの表面部分の熱膨張率（ＣＴＥ）とシールリング上の接合材料のＣＴＥとの間のＣＴＥを有するものである。

本開示に従ったパッケージは、以下を含むことも正しく理解されるべきである。本パッケージは、サブストレート；パッケージの表面上に配置されたデバイス；デバイスの周りで、サブストレートの表面部分の上に配置された金属リング；リッド；金属リングの相対する端に配置された接合材料；を含むことである。ここで、金属リングは、接合材料の内側および外側エッジのうち少なくとも一つを越えて横方向に拡がっており、かつ、接合材料は、リッドをサブストレートに対して接合するものである。以降の特徴のうち一つまたはそれ以上を、独立に、または、別の特徴と組み合わせて含んでよい。特徴は、金属リングの第１レイヤは、サブストレートの表面部分の上に配置された応力緩和バッファレイヤを含み、第１レイヤは、既定の温度において表面部分の延性よりも高い延性を有しており、かつ、接合材料の幅より幅が広く、応力緩和バッファレイヤは、接合材料の内側および外側エッジのうち少なくとも一つを越えて横方向に拡がっている、ことである。ここで、応力緩和バッファレイヤは、サブストレートの表面部分の熱膨張率よりも大きく、かつ、接合材料の熱膨張率よりも小さな熱膨張率を有するものである。ここで、金属リングの上面の領域は、上面に対する接合材料の接着を抑制する材料を含み、かつ、金属リングの部分は、接合材料の内側および外側エッジのうち少なくとも一つを越えて横方向に拡がっている。パッケージは、金属リングの上面の上に接合材料マスキングレイヤを含み、接合材料は、金属レイヤの上面の部分を露出しているマスキングレイヤにおけるウィンドウを通過しており、かつ、接合材料の部分は、金属レイヤの上面の露出された部分の上へウィンドウを通過するものである。

本開示に係る数多くの実施例が説明されてきた。それでもなお、様々な変更が、本開示の精神および範囲から逸脱することなくなされ得ることが理解されよう。例えば、密封されたパッケージは、多種多様なデバイスのために使用され得る。これらに限定されるわけではなく、ボロメータといった赤外線ＭＥＭＳ、ときどきマイクロボロメータとして参照されるもの、および、ジャイロと加速度計といった所定のイナーシャＭＥＭＳ、パッケージに対する接合専用デバイス、非撤退（ｎｏｎ−ｅｖａｃｕａｔｅｄ）アプリケーション（ＤＬＰのようなもの）または真空パッケージにおけるウェファ接合ＭＥＭＳ、を含むものである。さらに、他の材料が、応力緩和バッファレイヤ１０９ＤＷ及び／又は１０９ＣＷのために使用されてよい。例えば、銅またはアルミニウムといったものである。さらに、他の材料が、サブストレート接着レイヤ１２２のために使用されてよい。例えば、ＴｉＮといったものである。この場合、ＴｉとＮｉの両方は、製造プロセスの異なる段階について拡散障壁として動作する。さらに、他の材料が、接合材料のために使用されてよい。例えば、ＣｕＳｎといったものである。さらに、なおも、他のオーバーガラス材料が使用されてよい。例えば、ＳｉＮといったものである。従って、他の実施例は、以降の請求項の範囲内のものである。

Claims (11)

1. 密封されたパッケージの構造体であって、
   シリコンを含む表面を有するサブストレートと、
   該サブストレートの前記表面上に配置されたデバイスと、
   該デバイスに関して前記サブストレートの前記表面上に配置された金属シールリングであり、該金属シールリングは、
   前記金属シールリングの上面に配置された酸化ブロック／接合材料接着レイヤと、
   該酸化ブロック／接合材料接着レイヤの下に配置された拡散障壁レイヤと、 を含む、金属シールリングと、
   前記金属シールリングの上に配置された接合材料と、
   前記金属シールリングと前記サブストレートの前記表面との間に配置された金属応力緩和バッファレイヤであり、前記接合材料は、前記金属応力緩和バッファレイヤの降伏強度と同等な降伏強度を有する、金属応力緩和バッファレイヤと、
   リッド構造と、
   を含み、
   前記金属シールリングは、さらに、前記金属応力緩和バッファレイヤと前記拡散障壁レイヤとの間に配置されたサブストレート接着レイヤを含み、前記サブストレートの前記表面から完全に間隔を開けられており、
   前記金属応力緩和バッファレイヤは、前記接合材料を用いた前記リッド構造に対する前記金属シールリングの接合において、前記サブストレートのクラックを防止するために十分な長さだけ前記金属シールリングの内側および外側エッジのうち少なくとも１つを越えて横方向に拡がり、前記密封されたパッケージを形成し、かつ、
   前記金属応力緩和バッファレイヤの材料は、チタニウムである、
   構造体。
2. 前記金属応力緩和バッファレイヤは、前記サブストレートの前記表面の熱膨張係数よりも大きく、かつ、前記接合材料の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する、
   請求項１に記載の構造体。
3. 前記金属応力緩和バッファレイヤは、前記サブストレートの前記表面上に直接的に接触して配置されている、
   請求項１に記載の構造体。
4. 前記サブストレートは、窒化ケイ素を含む、
   請求項１に記載の構造体。
5. 前記サブストレートは、酸窒化ケイ素を含む、
   請求項１に記載の構造体。
6. 前記金属応力緩和バッファレイヤは、５００オングストロームより大きい厚みを有するチタニウムである、
   請求項１に記載の構造体。
7. 前記金属応力緩和バッファレイヤは、２００マイクロメートルより大きい長さだけ前記金属シールリングの内側および外側エッジのうち少なくとも1つを越えて横方向に拡がる、
   請求項１に記載の構造体。
8. 前記金属応力緩和バッファレイヤは、前記接合材料の高さより大きい長さだけ前記金属シールリングの内側および外側エッジのうち少なくとも1つを越えて横方向に拡がる、
   請求項１に記載の構造体。
9. 前記接合材料の前記高さは、１１マイクロメートル程度である、
   請求項８に記載の構造体。
10. 前記金属シールリングは、０．５マイクロメートル程度の厚みを有し、かつ、
    前記金属応力緩和バッファレイヤの厚みは、５００オングストロームから２５００オングストロームまでである、
    請求項８に記載の構造体。
11. 前記接合材料は、摂氏２５０度より高い共融温度を有する、
    請求項１に記載の構造体。

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